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【摘 要】矿井人员定位系统是对煤矿坑道远距离移动目标进行非接触式信息采集处理，实现对人、车、物在不同状态下的自动识别，及时、准确的将人员及设备的动态情况反映到地面计算机系统，方便管理人员进行合理的调度安排。因此，如何能准确定位井下人员状况显得尤为重要。
【关键词】人员定位系统 RFID 电磁波定位
矿井人员定位系统利用无线射频技术、数据处理技术、数据通讯技术和地理信息系统，结合无线网络传输技术，定位专利技术及煤矿井下通信基站专利技术，真正实现了井下人员的精确定位和其他各业务的需要。
井下无线通信是国内外研究的热点和难题，但相对于地面无线通信来说进展缓慢，主要原因是井下无线通信条件复杂，直接进行理论研究相当困难，主要是以实验为基础缓慢发展起来的。一系列实验表明：在中短波频段，井下巷道对电波衰减最大，通信距离最近。在超短波，通信距离随着频率升高而增加，电波传播衰减逐渐减少。在微波频段，随着频率升高衰减变得很小，因此井下巷道可认为是微波通信的波导型通道。这是由于巷道直径远远大于波长，微波信号在巷道中获得了相对较大的自由传播空间形成的。因此，巷道端面尺寸决定了电磁波传播的截止频率。端面大，截止频率低，通信效果就好，端面小，截止频率高，则必须选择更高频率的信号才能实现井下无线通信。
一、RFID人员定位系统工作原理
最基本的射频识别由射频卡/标签（Tag），RFID读写器（Reader Writer Device），天线（Antenna）以及应用支撑软件组成，如图1所示。
首先由井上监控中心定位系统软件将固定监控点的位置信息进行登记、存储，同时为每个下井人员装配一个电子标签并编号。作业人员进入井下，当到达放置在巷道内任何一个阅读器的识别范围内时，阅读器感应到信号，接收标签数据并立即上传到监控中心的计算机上，计算机就可判断出具体信息，同时将信息显示在监控中心电脑显示屏上并在数据库中存档备查。
二、矿井人员定位系统中RFID技术的定位方法探索
电磁波定位是建立在电磁波测距基础上的。电磁波测距的方法主要有三种，即基于接收场强的RSS （received signal strength）方法、基于来波到达时间的TOA （time of arrival）方法、基于來波到达角度的AOA （angle of arrival）方法。
（一）RSS方法的可行性分析
场强值随距离变化存在强烈起伏，在一个波长的范围内可以出现30-40dB的变化，所以用场强信息实现定位是困难的；但是考虑到场强测量最易实现，对硬件要求低，在定位精度要求不高的情况下可以利用。因此国内外很多学者在这一领域做了大量的工作，提出了一些基于RSS的定位解决方案以及算法：1.最大似然估计法、最小均方误差估计法。这类方法建立在概率统计的基础之上，利用事先建立的信道模型或者统计规律，得到似然函数进行位置估计；2.开窗平均值方法。在每个定位点上利用长度为几十个波长的空间窗，将该窗口内采样得到的场强值取均值作为该点的场强值用于位置估计；3.指纹识别法。该算法只适合于静态情况下应用，而且先期工作十分艰巨。
电磁波的传播环境比室内环境还要复杂的多，多径效应比室内环境更加严重，电磁波的场强衰减规律更难掌握，从而导致更大的定位误差，精度较低。
（二）TOA方法的可行性分析
TOA方法利用收、发天线间电磁波的传播时间进行测距、定位，需要对接收脉冲的波形进行分析，以便确定脉冲到达时刻是否精确可测。也就是需要对井下信道的脉冲响应——宽带特性有充分的分析与研究。对每一个发射脉冲，信道会产生多个沿不同路径，不同延迟到达的脉冲，并在接收点上进行矢量叠加，这种现象也可以理解为波导色散，不同的模式沿不同的路径、不同的时间到达，造成脉冲展宽。这种效应可等价为线性低通滤波器对发射脉冲的低通滤波效应。
借助于TOA算法来实现井下定位是一种可行的方案。在DLOS和 OLOS两种情况下均能测出脉冲到达时刻，从而可以确定收发天线间的距离：1.DLOS情况。在接收点上可以接收到直射波到达脉冲，且这个脉冲是最先到达的，具有最大幅值，通过确定该脉冲到达时刻，就可以确定收发天线之间的距离，进而实现定位；2.OLOS情况。接收点处也有直射波到达脉冲，但是这个脉冲是经历极大衰减的脉冲，只有在接收器具有足够高的灵敏度，足够高的动态范围的情况下才能检测出来，否则，接收器将最先到达的幅值超过其灵敏度的脉冲作为直射波到达脉冲，产生定位误差。
（三）AOA方法的可行性分析
AOA算法只需要2个基站就可以确定位置，而2条直线只有一个交点，不会出现轨迹有多个交点的现象，即定位的模糊性。但为了测量电磁波的入射角度，接收机的天线需要改进，必须配备方向性强的天线阵列。这导致接收机的结构复杂、体积增大，适合于在地面蜂窝小区基站应用以实现人员定位，对井下利用来说是不利的。
通过上述比较得出：RSS方法和TOA方法可应用于井下移动通信定位，RSS方法的定位误差相对较大，TOA方法更为适合井下移动通信定位，而OAO方法主要适合于在地面蜂窝小区基站应用以实现人员定位。由于矿井人员定位系统由地上部分和地下部分组成，同时两部分的工作环境差别很大，因此，通过三种方法的有机结合增加井下通信的安全性和稳定性，确保煤矿生产安全，合理减少相应的成本。
参考文献：
[1]蒋树青。矿用井下人员定位管理系统的设计与实现，电子科技大学，2012.9
[2]徐宏雷。井下人员定位系统研究，辽宁工程技术大学，2009.12
【关键词】人员定位系统 RFID 电磁波定位
矿井人员定位系统利用无线射频技术、数据处理技术、数据通讯技术和地理信息系统，结合无线网络传输技术，定位专利技术及煤矿井下通信基站专利技术，真正实现了井下人员的精确定位和其他各业务的需要。
井下无线通信是国内外研究的热点和难题，但相对于地面无线通信来说进展缓慢，主要原因是井下无线通信条件复杂，直接进行理论研究相当困难，主要是以实验为基础缓慢发展起来的。一系列实验表明：在中短波频段，井下巷道对电波衰减最大，通信距离最近。在超短波，通信距离随着频率升高而增加，电波传播衰减逐渐减少。在微波频段，随着频率升高衰减变得很小，因此井下巷道可认为是微波通信的波导型通道。这是由于巷道直径远远大于波长，微波信号在巷道中获得了相对较大的自由传播空间形成的。因此，巷道端面尺寸决定了电磁波传播的截止频率。端面大，截止频率低，通信效果就好，端面小，截止频率高，则必须选择更高频率的信号才能实现井下无线通信。
一、RFID人员定位系统工作原理
最基本的射频识别由射频卡/标签（Tag），RFID读写器（Reader Writer Device），天线（Antenna）以及应用支撑软件组成，如图1所示。
首先由井上监控中心定位系统软件将固定监控点的位置信息进行登记、存储，同时为每个下井人员装配一个电子标签并编号。作业人员进入井下，当到达放置在巷道内任何一个阅读器的识别范围内时，阅读器感应到信号，接收标签数据并立即上传到监控中心的计算机上，计算机就可判断出具体信息，同时将信息显示在监控中心电脑显示屏上并在数据库中存档备查。
二、矿井人员定位系统中RFID技术的定位方法探索
电磁波定位是建立在电磁波测距基础上的。电磁波测距的方法主要有三种，即基于接收场强的RSS （received signal strength）方法、基于来波到达时间的TOA （time of arrival）方法、基于來波到达角度的AOA （angle of arrival）方法。
（一）RSS方法的可行性分析
场强值随距离变化存在强烈起伏，在一个波长的范围内可以出现30-40dB的变化，所以用场强信息实现定位是困难的；但是考虑到场强测量最易实现，对硬件要求低，在定位精度要求不高的情况下可以利用。因此国内外很多学者在这一领域做了大量的工作，提出了一些基于RSS的定位解决方案以及算法：1.最大似然估计法、最小均方误差估计法。这类方法建立在概率统计的基础之上，利用事先建立的信道模型或者统计规律，得到似然函数进行位置估计；2.开窗平均值方法。在每个定位点上利用长度为几十个波长的空间窗，将该窗口内采样得到的场强值取均值作为该点的场强值用于位置估计；3.指纹识别法。该算法只适合于静态情况下应用，而且先期工作十分艰巨。
电磁波的传播环境比室内环境还要复杂的多，多径效应比室内环境更加严重，电磁波的场强衰减规律更难掌握，从而导致更大的定位误差，精度较低。
（二）TOA方法的可行性分析
TOA方法利用收、发天线间电磁波的传播时间进行测距、定位，需要对接收脉冲的波形进行分析，以便确定脉冲到达时刻是否精确可测。也就是需要对井下信道的脉冲响应——宽带特性有充分的分析与研究。对每一个发射脉冲，信道会产生多个沿不同路径，不同延迟到达的脉冲，并在接收点上进行矢量叠加，这种现象也可以理解为波导色散，不同的模式沿不同的路径、不同的时间到达，造成脉冲展宽。这种效应可等价为线性低通滤波器对发射脉冲的低通滤波效应。
借助于TOA算法来实现井下定位是一种可行的方案。在DLOS和 OLOS两种情况下均能测出脉冲到达时刻，从而可以确定收发天线间的距离：1.DLOS情况。在接收点上可以接收到直射波到达脉冲，且这个脉冲是最先到达的，具有最大幅值，通过确定该脉冲到达时刻，就可以确定收发天线之间的距离，进而实现定位；2.OLOS情况。接收点处也有直射波到达脉冲，但是这个脉冲是经历极大衰减的脉冲，只有在接收器具有足够高的灵敏度，足够高的动态范围的情况下才能检测出来，否则，接收器将最先到达的幅值超过其灵敏度的脉冲作为直射波到达脉冲，产生定位误差。
（三）AOA方法的可行性分析
AOA算法只需要2个基站就可以确定位置，而2条直线只有一个交点，不会出现轨迹有多个交点的现象，即定位的模糊性。但为了测量电磁波的入射角度，接收机的天线需要改进，必须配备方向性强的天线阵列。这导致接收机的结构复杂、体积增大，适合于在地面蜂窝小区基站应用以实现人员定位，对井下利用来说是不利的。
通过上述比较得出：RSS方法和TOA方法可应用于井下移动通信定位，RSS方法的定位误差相对较大，TOA方法更为适合井下移动通信定位，而OAO方法主要适合于在地面蜂窝小区基站应用以实现人员定位。由于矿井人员定位系统由地上部分和地下部分组成，同时两部分的工作环境差别很大，因此，通过三种方法的有机结合增加井下通信的安全性和稳定性，确保煤矿生产安全，合理减少相应的成本。
参考文献：
[1]蒋树青。矿用井下人员定位管理系统的设计与实现，电子科技大学，2012.9
[2]徐宏雷。井下人员定位系统研究，辽宁工程技术大学，2009.12